CN101379643A - 启动或停止过程中具有电极活性再生的燃料电池系统 - Google Patents

启动或停止过程中具有电极活性再生的燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

一种用于燃料电池系统的性能恢复操作，有效地恢复燃料电极(201)，使得当燃料电池(100)的启动或停止操作时，燃料和氧化电极(201、202)都处于氢气气氛中，然后使燃料电极(201)维持在比正常运行高的电位水平。

Description

启动或停止过程中具有电极活性再生的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池系统。
背景技术
燃料电池是通过连续补充燃料并排出燃料的废弃副产物，来将燃料的化学能直接转换成电能的装置。一般地，燃料电池的特点是发电效率高、空气污染物量少和噪音低。
相关燃料电池的结构可以包括多个电池或发电单元。各电池可以包括附接到电解质的相对两侧的气体扩散电极以及对应的分隔体的集合。各分隔体可以包括各自的气体通道。当通过燃料气体通道向附接在电池一侧的燃料气体扩散电极(也称为“燃料电极”)供应诸如氢气等的燃料气体时，并且当通过氧化气体通道向附接在电池的相对侧的氧气扩散电极(也称为“氧电极”或“氧化电极”)供应诸如包含氧气的空气的氧化气体时，在电池中产生电力。燃料被氧化，并且所产生的自由能的变化由此产生电能。
作为聚合物电解质燃料电池已知的相关燃料电池在每一电池中包括膜电极组件(MEA)。特别地，聚合物电解质膜包括位于膜的相对两侧的电极催化层、以及向膜的相对两侧的催化层的表面供应不同气体的分隔体。第一分隔体向位于膜的第一侧的燃料电极供应作为燃料气体的氢气，第二分隔体向位于膜的第二侧的氧化电极供应作为氧化气体的空气。在相关燃料电池中，电极催化层包括碳载体上的诸如铂的催化剂。
相关聚合物电解质膜在包含水时表现出氢离子传导性，因此，供给到燃料电池的燃料气体通常预先加湿。另外，由于氧化电极处的反应生成水，因此电池中一直含有水。
因此，在相关燃料电池的长时间运行之后，相关燃料电池的结构中所使用的碳材料以及密封材料、塑料材料和金属材料中所包含的各种离子杂质以及无机和有机杂质溶解在电池中所包含的水中。另外，从外部供应到燃料电池的空气不可避免地包含诸如少量的氧化氮和氧化硫的空气污染物，并且燃料气体在通过氢气净化器的过程中倾向于聚集金属氧化物。
上述这些各种杂质积聚在电解质膜以及氧电极和燃料电极的催化反应层上，这降低了聚合物电解质的导电性，并减小了催化反应的活性。结果，随着燃料电池运行的时间推移，电池性能逐渐劣化。另外，在分隔体形成有金属板的相关燃料电池中，从金属分隔体溶解的金属离子可能会显著地损坏电解质膜和催化反应层。
日本特开2001-85037中公开了相关燃料电池系统的例子，其说明了向性能已经劣化的燃料电池施加高电流密度负载。
发明内容
但是，向燃料电池施加高电流密度负载可能导致氧化电极侧生成水，从而不能实现燃料电极的有效性能恢复。
在燃料电池系统的实施例中，提供一种控制器，其当燃料电池的运行开始或停止时将燃料电极和氧化电极置于氢气气氛中，然后使燃料电极保持在比正常运行高的电位。因此，由于氧化反应可以从催化剂表面释放杂质。
在实施例中，提供一种燃料电池系统，包括用于发电的燃料电池。燃料电池包括分别位于电解质膜的相对两侧的燃料电极和氧化电极，并且响应于分别向燃料电极和氧化电极供应燃料气体和氧化气体，燃料电池发电。燃料电池系统包括控制器，其在燃料电池的启动和停止操作的过程中，将燃料电极和氧化电极置于第一氢气气氛中，然后将燃料电极维持在较高的电位。
附图说明
包括在说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出本发明的优选实施例，并与以上给出的概括说明和以下给出的详细说明一起用于说明本发明的特征。
图1是本发明的燃料电池系统的优选实施例中所使用的发电单元(即，电池单元)的截面图。
图2(A)至2(C)是示出燃料电池性能恢复操作过程中燃料电极和氧化电极两者的状态变化的系列示意图。
图3(A)和3(B)是示出燃料电池性能恢复操作过程中燃料电极和氧化电极两者的状态变化的系列示意图。
图4是示出包括燃料电池性能恢复操作的气体系统管道的第一实施例的示意图。
图5是示出包括燃料电池性能恢复操作的气体系统管道的第二实施例的示意图。
图6是示出包括燃料电池性能恢复操作的气体系统管道的第三实施例的示意图。
图7是示出包括燃料电池性能恢复操作的气体系统管道的第四实施例的示意图。
图8是示出包括燃料电池性能恢复操作的气体系统管道的第五实施例的示意图。
图9是示出包括燃料电池性能恢复操作的气体系统管道的第六实施例的示意图。
图10是示出燃料电池性能恢复操作的第一实施例的流程图。
图11是示出燃料电池性能恢复操作的第二实施例的流程图。
图12是示出燃料电池性能恢复操作的第三实施例的流程图。
图13是示出燃料电池性能恢复操作的第四实施例的流程图。
图14是是示出燃料电池性能恢复操作的第五实施例的流程图。
具体实施方式
第一实施例
燃料电池系统的实施例提供用于恢复已经劣化的燃料电池的性能，特别是恢复劣化的燃料电极催化层的性能的功能。优选地，燃料电池系统包括聚合物电解质燃料电池堆。
如图1所示，单个燃料电池提供发电单元100。优选地，发电单元100(也称为“电池单元”)包括聚合物电解质膜112、燃料电极201(也称为“燃料气体扩散电极”)、氧化电极202(也称为“氧化气体扩散电极”)、燃料气体分隔体108、氧化气体分隔体109以及制冷剂分隔体110。这些分隔体也可以称为“分隔板”。
如图1所示，燃料电极201和氧化电极202布置在聚合物电解质膜112的相对两侧或两面上。即，聚合物电解质膜112夹在燃料电极201和氧化电极202之间。
燃料电极201优选包括燃料电极催化层104和燃料气体扩散层106。氧化电极202优选包括氧化电极催化层105和氧化气体扩散层107。燃料气体分隔体108位于燃料电极201侧，氧化气体分隔体109位于氧化电极202侧。优选地，制冷剂分隔体110位于氧化电极202侧。
如所示，包括聚合物电解质膜112、燃料电极201和氧化电极202的堆叠结构的两端利用各自的边封101密封。燃料气体分隔体108限定燃料气体流动通道102，氧化气体分隔体109限定氧化气体流动通道103。制冷剂分隔体110限定制冷剂流动通道111，使得制冷剂流动通道111中的制冷剂在与氧化气体流动通道103中的氧化气体的流动方向平行的方向上(例如，在垂直于纸面的方向上)流动。
优选地，燃料电池堆包括堆叠的多个如图1所示并参考图1说明的发电单元100。特别地，对于每个发电单元100，包括催化层和气体扩散层的燃料电极以及同样包括催化层和气体扩散层的氧化电极分别位于电解质膜的相对两侧。
这样的燃料电池堆的性能可能由于下列四种情况中的任一种而劣化。
(1)燃料电极催化剂的外表面面积减小了预定程度的情况。可以通过例如循环伏安图(也称为“电流-电位曲线”)来检测这种情况。
(2)燃料电池堆在低负载下连续运行(即，在相对于正常运行降低的电流密度下运行)超过预定时间段的情况。可以通过使用例如电压传感器和计时器来检测这种情况。
(3)燃料电池堆在低负载下运行的时间总量(也称为“累计时间”)超过预定时间量的情况。也可以通过使用例如电压传感器和计时器来检测这种情况。
(4)燃料电池堆的发电性能以预定速率劣化的情况。可以例如通过评价燃料电池堆的电流-电压特性的变化来检测这种情况。
可以使用在上述情况(1)至(4)中的任一个中所说明的燃料电极电解质的外表面面积、负载、时间和发电性能，作为用于判断是否应当对燃料电池堆执行性能恢复操作的标准。由于对于燃料电池堆中的各电池单元，燃料电极电解质的外表面面积、负载、时间和发电性能可能不同，因此优选为预先对它们进行测量。因此，可以针对特定燃料电池堆定制用于判断是否应当执行性能恢复操作的标准，以避免该特定燃料电池堆的发电减少。
现在将参考图4至9来说明提供性能恢复操作的燃料电池气体管道系统300。图4至9示出气体管道系统的可选布置，每一气体管道系统通常包括连接到燃料电池堆用以生成电力的燃料电极循环系统(也称为“燃料气体供应系统”)和氧化气体供应系统。当通过燃料电极循环系统和氧化气体供应系统分别向燃料电极201和氧化电极202供应燃料气体和氧化气体时，燃料电池堆发电。
参考图4，燃料电极201连接到燃料电极循环系统320，氧化电极202连接到氧化气体供应系统321。燃料电极循环系统320优选包括燃料气体循环泵301、净化阀302、燃料气体供应阀303和燃料气体供应源308。氧化气体供应系统321优选包括氧化气体排出阀303、氧化气体供应阀304、氧化气体旁通管道305、氧化气体压缩器306和化学过滤器307。氧化气体排出阀303和燃料电极循环系统320通过净化阀302相连接。
在性能恢复操作的过程中，来自氧化气体供应系统321的空气在箭头方向上沿着虚线所示的空气流动路径，被引导到燃料电极循环系统320。打开净化阀302，使燃料气体循环泵301接通电源，以使空气在燃料电极循环系统320中沿着图中的逆时针方向流动。因此，燃料电极循环系统320的内部具有负压，该负压将氧化气体从氧化气体供应系统321经由净化阀302导入到燃料电极循环系统320中，从而提供燃料电极201的性能恢复操作。
根据性能恢复操作，可以将氢气和氧气在燃料电极循环系统320中有效地混合，从而在燃料电极的催化剂上有效地生成水。另外，可以通过化学过滤器307防止从氧化气体供应系统321导入到燃料电极循环系统320的空气的污染，这降低并优选地消除来自外部的空气中的杂质。
现在参考图5，燃料电极201连接到燃料电极循环系统320，氧化电极202连接到氧化气体供应系统321。与图4的实施例相比，第一化学过滤器307安装在空气从氧化气体供应系统322流向燃料电极循环系统320的管道的一部分中。根据图5所示的实施例，氧化气体供应系统322优选包括氧化气体排出阀303、氧化气体供应阀304、氧化气体压缩器306和第二化学过滤器307。氧化气体排出阀303和燃料电极循环系统320通过第一化学过滤器307和净化阀302相连接。
在性能恢复操作过程中，来自氧化气体供应系统322的空气被引导到燃料电极循环系统320，净化阀302处于打开状态，并且运行燃料气体循环泵301以在燃料电极循环系统320中产生负压。将(例如，从外部空气导入的)氧化气体从氧化气体供应系统322经由净化阀302和第一化学过滤器307导入到燃料电极循环系统320中，以有效生成水，从而执行性能恢复操作。可以在箭头方向上沿着虚线所示的空气流动路径，经由化学过滤器307将外部空气引导到燃料电极循环系统320。因此，图5所示的示例性实施例可以免除如图4所示的氧化气体旁通管道305，并且与图4所示的示例性实施例相比，可以简化氧化气体排出阀303和氧化气体供应阀304。
现在参考图6，与图4所示的示例性实施例相似，燃料电极201连接到燃料电极循环系统323，并且氧化电极202连接到氧化气体供应系统321。燃料电极循环系统323优选包括燃料气体循环泵301、第一净化阀302(也称为“第一阀”)、燃料气体供应阀309、燃料气体供应源308、第二净化阀310(也称为“第二阀”)和循环系统电磁阀311(也称为“第三阀”)。
在性能恢复操作过程中，来自氧化气体供应系统321的空气被引导到燃料电极循环系统323，第一和第二净化阀302、310处于打开状态，第一和第二净化阀302、310之间的燃料电极循环系统323的管道通过循环系统电磁阀311保持关闭，并且运行燃料气体循环泵301以在燃料电极循环系统323中产生负压。可以将(例如，从外部空气导入的)氧化气体从氧化气体供应系统321沿着虚线所示的空气流动路径迅速导入到燃料电极循环系统323中，以执行性能恢复操作。同时，燃料电极循环系统323中的燃料气体沿着虚线箭头所示的单行方向流动，以迅速将燃料电极201置于空气气氛中。
现在参考图7，与图6所示的示例性实施例相似，燃料电极201连接到燃料电极循环系统323，并且与图5所示的示例性实施例相似，氧化电极202连接到氧化气体供应系统322。燃料电极循环系统323优选也包括位于净化阀302和氧化气体排出系统之间的化学过滤器307。
在性能恢复操作过程中，来自氧化气体供应系统322的空气被引导到燃料电极循环系统323，第一和第二净化阀302、310处于打开状态，第一和第二净化阀302、310之间的燃料电极循环系统323的管道通过循环系统电磁阀311保持关闭，并且运行燃料气体循环泵301以在燃料电极循环系统323中产生负压。可以将氧化气体从氧化气体供应系统322迅速导入到燃料电极循环系统323中，以执行燃料电极201的性能恢复操作。因此，图7所示的示例性实施例可以免除如图6所示的氧化气体旁通管道305，并且与图6所示的示例性实施例相比，可以简化氧化气体排出阀303和氧化气体供应阀304。
现在参考图8，与图4所示的示例性实施例相似，燃料电极201连接到燃料电极循环系统320，并且同样与图4所示的示例性实施例相似，氧化电极202连接到氧化气体供应系统321。另外，燃料电极加湿器401(也称为“第一水供应器”)通过电磁阀402连接到燃料电极循环系统320，氧化电极加湿器403(也称为“第二水供应器”)通过电磁阀404连接到氧化气体供应系统321。优选对燃料电极和氧化电极加湿器401、403进行控制，以相对于正常运行增大湿度。
在性能恢复操作过程中，可以通过打开电磁阀402，将来自燃料电极加湿器401的水或加湿后的气体经由燃料电极循环系统320供应到燃料电极201。相似地，可以通过打开电磁阀404，将来自燃料电极加湿器403的水或加湿后的气体经由氧化气体循环系统321供应到氧化电极202。因此，可以将水或加湿后的气体供应到燃料电极201和氧化电极202中的任一个或者两个，从而高度加湿后的状态提高燃料电极201的性能恢复操作。
现在参考图9，与图4所示的示例性实施例相似，燃料电极201连接到燃料电极循环系统320，并且同样与图4所示的示例性实施例相似，氧化电极202连接到氧化气体供应系统321。另外，燃料电池连接到冷却器405、制冷剂循环泵406和制冷剂流量计407。优选地，对制冷剂循环泵进行控制，以相对于正常运行降低燃料电池温度。
在性能恢复操作过程中，制冷剂循环泵406循环制冷剂，以冷却燃料电池。降低燃料电池的温度倾向于增大燃料电池中的相对湿度，如上面针对图8所示的示例性实施例所讨论的，这可以提高性能恢复操作。
参考图4和图10，现在将对性能恢复操作的实施例进行说明。
图10的流程图示出操作步骤S1至S9。在步骤S1，停止图4的从外部到氧化气体循环系统321的氧化气体供应。在步骤S2，将氧化气体供应阀304和氧化气体排出阀303从向氧化电极202给送氧化气体的第一布置切换到通过旁通管道305给送氧化气体的第二布置，从而停止向氧化电极202给送氧化气体，并使其绕道。
在步骤S3，因为燃料电池消耗氧气，因此两个电极都处于氢气气氛中。当发电或两个电极电气短路时，消耗氧气。当燃料电极循环系统320的体积小于氧化气体供应系统321的体积时，燃料气体向燃料电极201的循环防止两个电极被置于氧气气氛中。
在步骤S4，对电压是否稳定在零伏或其附近进行判断。如果电压稳定，则在步骤S5停止氧气消耗。
然后，在步骤S6，打开净化阀302，以及在步骤S7，运行燃料气体循环泵301，以在燃料电极循环系统320中产生负压。如这里所使用的，燃料电极循环系统中的“负压”是指相对于燃料电极循环系统外部(例如，净化阀302的上游)的大气压力较低的压力。因此，燃料电极循环系统320中的负压通过化学过滤器307从外部导入空气，从而在与剩余的氢气反应以生成水的同时，将燃料电极201置于空气气氛中，使得燃料电极201具有较高的电位水平(例如，大约1.9伏)。
在步骤S8，使较高的电位维持一时间段，该时间段是基于燃料电极201的电位水平、燃料电池中的含水量和燃料电池的温度而确定的。然后，在步骤S9，在预定时间结束时，停止性能恢复操作。该预定时间是基于循环伏安图(也称为“电流-电位曲线”)而确定的，该预定时间被认为是完成杂质的解吸附的时间。例如，当燃料电极201的电位水平维持在1.0伏/电池(V/电池)时，当具有高于1.0伏(与RHE对比)的电压的电流密度值(例如，以毫安每平方厘米(mA/cm2)所测得的)降低到预定值时，出现该预定时间。如果例如电池温度是80摄氏度，并且相对湿度为100％，则预定时间可能大约是120秒。
优选地，当全部满足某些条件时，停止性能恢复操作。具体地，当满足下列条件时可以停止性能恢复操作:(1)燃料气体循环泵301和氧化气体压缩器306(图4至9所示)以及制冷剂循环泵406(图9所示)都停止；(2)净化阀302和燃料气体供应阀309(图4至9所示)、第二净化阀310(图6所示)以及电磁阀402和404(图8所示)都关闭；以及(3)氧化气体排出阀303和氧化气体供应阀304处于密封(例如，绕过)氧化电极202的状态。
相似地，也可以将图10的步骤S9中的停止性能恢复操作的条件应用于图11的步骤S22(关于在下文中将说明的第二实施例)、图12的步骤S30(关于在下文中将说明的第三实施例)、图13的步骤S43(关于在下文中将说明的第四实施例)和图14的步骤S58(关于在下文中将说明的第五实施例)。
图2(A)示意性地示出在图10中示出的性能恢复操作处理200的过程中燃料电极201和氧化电极202的状态变化。在图2(A)的第一幅图中，负载203(例如，电阻元件)最初提供上述氧气消耗的推动力。然后，在第二幅图中，当负载203使燃料电极201和氧化电极202电气短路时，燃料电极201和氧化电极202都在氢气气氛中停止。在第三幅图中，供应到燃料电极201的氧化气体(例如，空气)与燃料电极201中剩余的氢气反应，使得燃料电极201被置于空气气氛中(图2(A)的第四幅图)，并生成水。
根据该性能恢复操作，当燃料电极201和氧化电极202都处于氢气气氛中时，向燃料电极201供应氧化气体(例如，空气)。因此，与燃料电池正在发电时相反，燃料电极201处于空气气氛中，并且氧化电极202处于氢气气氛中，这抑制氧化电极202的劣化。另外，氢气和氧气在燃料电极201中充分混合，从而在燃料电极201的催化层上有效地生成水，使得可以有效地去除被吸附物(例如，通过用水冲洗)。
通过启动氧化气体压缩器306来将压缩空气导入到燃料电极循环系统320，可以在性能恢复操作的过程中将空气引导到燃料电极201。根据性能恢复操作，恢复了燃料电极201的催化层的外表面的有效面积，并且恢复了燃料电池的发电性能。
向燃料电极201供应氧化气体的方法不限于根据针对图4中示出的系统所说明的示例性实施例的性能恢复操作。还可以预想到针对图5中示出的系统的第一可选性能恢复操作、针对图6中示出的系统的第二可选性能恢复操作和针对图7中示出的系统的第三可选性能恢复操作，并且现在将对其进行说明。
第一可选性能恢复操作
如图5所示，化学过滤器307布置在净化阀302相对于空气流动方向的上游的位置处的燃料气体净化管道中，因此在性能恢复操作过程中从氧化气体排出系统引导到燃料电极循环系统320的空气通过第一化学过滤器307。因此，与图4所示的实施例相比，可以免除氧化气体旁通管道305，并且可以简化氧化气体排出阀303和氧化气体供应阀304。另外，可以通过具有第一化学过滤器307的燃料气体净化管道容易地直接从外部供应用于燃料电极201的空气。
第二可选性能恢复操作
如图6所示，通过打开第一和第二净化阀302、310，并关闭电磁阀311，导致在箭头所示的空气流动方向上沿着虚线，在燃料电极循环系统323中发生单向流动。当运行燃料气体循环泵301和氧化气体压缩器306中的一个或两个时，空气从氧化气体供应系统321供应到燃料电极201。因此，与针对图4中示出的实施例所进行的说明大体上相同，可以迅速供应从氧化气体供应系统321导入的空气，以缩短将燃料电极201置于空气气氛中所需的时间，从而缩短性能恢复操作所需的时间。
第三可选性能恢复操作
如图7所示，以与针对图6的上述方式大体上相同的方式，导致在燃料电极循环系统323中发生单向流动。但是，当运行燃料气体循环泵301时，以与针对图5的上述方式大体上相同的方式，将空气从氧化气体排出系统322引导到燃料电极201。因此，可以通过具有第一化学过滤器307的燃料气体净化管道容易地直接从外部供应用于燃料电极201的空气，因此可以迅速将燃料电极201置于空气气氛中，从而缩短性能恢复操作所需的时间。
除上述第一、第二和第三可选性能恢复操作之外，现在将针对图8和9说明另两个可选性能恢复操作。
第四可选性能恢复操作
如图8所示，打开电磁阀402使得通过燃料电极循环系统320向燃料和氧化电极201、202中的一个或两个(优选地，燃料电极201)供应来自燃料电极加湿器401的水或加湿后的气体。相似地，打开电磁阀404使得通过氧化气体循环系统321向燃料和氧化电极201、202中的一个或两个(优选地，氧化电极202)供应来自氧化电极加湿器403的水或加湿后的气体。
向燃料和氧化电极201、202中的一个或两个供应水或加湿后的气体可以通过使燃料电池的内部保持在高度加湿后的状态，来促进和提高性能恢复操作。用于燃料和氧化电极201、202的湿气(或水)可以通过燃料电极加湿器401和电磁阀402来供应，以及/或者可以通过氧化电极加湿器403和电磁阀404来供应。当燃料电极201的催化层中的含水量增大，从而增大燃料电池中的反应和排出效果时，可以获得性能恢复操作的效果的改善。
第五可选性能恢复操作
如图9所示，通过运行制冷剂循环泵406来循环制冷剂，可以冷却燃料电池堆，从而冷却燃料电池。通过降低燃料电池堆的温度来降低燃料电池的温度，可以增大燃料电池中的相对湿度，从而以与针对图8所述的方式大体上相同的方式，改善性能恢复操作的效果。冷却器405、制冷剂循环泵406和制冷剂流量计407可以为燃料电池堆提供冷却。因此，降低燃料电池堆的温度增大了燃料电极201的相对湿度，并且可以从而促进和提高性能恢复操作。
第二实施例
现在将参考图4示出的气体管道系统和图11示出的方法的示例性实施例，来说明燃料电池系统的第二实施例。
图11示出的流程图包括操作步骤S11至S22。整体上，操作步骤S11至S18对应于图10示出的操作步骤S1至S8，因此将不再重复对它们的说明。如在第一实施例中一样，将空气引导到燃料电极201，并使燃料电极201保持在较高电位预定时间。
在图11的步骤S19，关闭图4的燃料气体净化阀302。在步骤S20，打开燃料气体供应阀309，以从燃料气体供应源308向燃料电极201供应燃料气体(例如，氢气)，从而通过与燃料电极201中剩余的氧气发生反应来生成水。在步骤S21，对燃料电池电压是否稳定在零伏或其附近进行判断。如果电压稳定，则在步骤S22停止性能恢复操作。
根据第二实施例，在燃料电极201的催化层上生成的水的量大得多，燃料电极201的催化层中的含水量因此增加，并且性能恢复操作的效果增大。另外，由于燃料和氧化电极201、202都可以在氢气气氛中停止，所以可以抑制氧化电极202的催化层的劣化。否则，当燃料和氧化电极201、202都处于空气气氛中，并且在下一次启动燃料电池时向燃料电极201供应氢气时，可能发生劣化。
图2(B)示意性地示出图11示出的性能恢复操作处理200的过程中燃料电极201和氧化电极202二者的状态变化。图2(B)的前三幅图大体上与图2(A)相同，因此将不再重复对它们的说明。如图2(B)的第四幅图所示，燃料电极201处于空气气氛中，并且氧化电极202处于氢气气氛中。之后，如第五幅图所示，向燃料电极201供应氢气，这导致与燃料电极201中剩余的氧气发生反应从而生成水。因此，可以切换燃料和氧化电极201、202二者的状态，以避免燃料电池的劣化，并且可以有效地去除各种被吸附物。另外，由于在燃料和氧化电极201、202都处于氢气气氛的情况下停止性能恢复操作，因此可以避免可能影响随后的发电的劣化。
第三实施例
现在将参考图4示出的气体管道系统和图12示出的方法的示例性实施例，来说明燃料电池系统的第三实施例。
图12示出的流程图包括操作步骤S21至S30。整体上，操作步骤S21至S28对应于图10示出的操作步骤S1至S8，因此将不再重复对它们的说明。再次如在第一实施例中一样，将空气引导到燃料电极201，并使燃料电极201保持在较高电位预定时间。
在图12的步骤S29，在燃料电池中消耗氢气，并向燃料电极201供应空气。然后，使燃料和氧化电极201、202都在空气气氛中停止。当发电或两个电极电气短路时，消耗氢气。与氧化电极202中剩余的氢气的反应可以在燃料电极201的催化层上生成水，因此，可以以与针对图2(A)的上述方式大体上相同的方式来改善性能恢复操作的效果。
在步骤S29-1，对燃料电池电压是否稳定在零伏或其附近进行判断。如果电压稳定，则在步骤S30停止性能恢复操作。
根据第三实施例，在燃料电极201的催化层上生成的水可以促进和提高发电性能的恢复。另外，由于燃料和氧化电极201、202都可以在氧气气氛中停止，因此可以抑制燃料电池的劣化。否则，作为氢气与要供应到燃料电池但在等待燃料电池运行的长时间内保存的空气混合的结果，可能发生劣化。
图2(C)示意性地示出图12示出的性能恢复操作处理200的过程中燃料电极201和氧化电极202二者的状态变化。图2(C)的前三幅图大体上与图2(A)相同，因此将不再重复对它们的说明。如图2(C)的第四幅图所示，燃料电极201处于空气气氛中，并且氧化电极202处于氢气气氛中。之后，如第五幅图所示，例如通过负载203施加的电气短路电路提供上述氢气消耗的推动力。具体地，通过在将燃料电极201置于空气气氛中并且将氧化电极202置于氢气气氛中的同时施加负载203，氧化电极202中剩余的氢气被消耗，并且燃料和氧化电极201、202都在处于空气气氛中的同时停止。因此，可以改变燃料电池的燃料电极201的状态和氧化电极202的状态，以避免燃料电池的劣化。
另外，燃料电极201中剩余的氢气在燃料电极201的催化层处反应，并生成水，使得可以有效地去除各种被吸附物。另外，由于在两个电极都处于空气气氛中的情况下停止性能恢复操作，因此可以避免由于燃料电池长时间保持非运行状态而引起的劣化。
第四实施例
现在将参考图4示出的气体管道系统和图13示出的方法的示例性实施例，来说明燃料电池系统的第四实施例。
图13示出的流程图包括操作步骤S31至S43。整体上，操作步骤S31至S38对应于图10示出的操作步骤S1至S8，因此将不再重复对它们的说明。再次如在第一实施例中一样，将空气引导到燃料电极201，并使燃料电极201保持在较高电位预定时间。
在图13的步骤S39，关闭图4的燃料气体净化阀302，以停止燃料电极201处的空气循环。在步骤S40，当燃料电极201处的空气循环保持停止时，在发电或两个电极电气短路时，消耗氧气。因此，可以使用氧化电极202中剩余的氢气来在燃料电极201的催化层上生成水。在步骤S41，在生成水的情况下，打开燃料气体供应阀309，以向燃料电极201供应燃料气体，例如氢气，使得燃料和氧化电极201、202都处于氢气气氛中。因此，使用负载203电气短路燃料和氧化电极201、202来消耗燃料电极201处的剩余氧气。
然后，在步骤S42，对燃料电池电压是否稳定在零伏或其附近进行判断。如果电压稳定，则在步骤S43停止性能恢复操作。如果可以在燃料和氧化电极处于氢气气氛的情况下停止性能恢复操作，则可能没有必要供应燃料气体。
根据第四实施例，在燃料电极201的催化层上生成的水可以促进和提高燃料电池的发电性能的有效恢复。另外，通过在燃料和氧化电极201、202都处于氢气气氛中的情况下停止性能恢复操作，可以避免由随后的燃料电池启动所引起的氧化电极202的催化层的劣化。
图3(A)示意性地示出图13示出的性能恢复操作处理200的过程中燃料电极201和氧化电极202二者的状态变化。图3(A)的前三幅图大体上与图2(A)相同，因此将不再重复对它们的说明。如图3(A)的第四幅图所示，在停止向燃料电极201的空气供应之后，施加负载203，以消耗燃料电极201中剩余的氧气。之后，如第五幅图所示，燃料和氧化电极201、202都在氢气气氛中停止。因此，可以切换燃料和氧化电极201、202二者的状态，以避免燃料电池的劣化，并生成水，使得可以有效地去除各种被吸附物。另外，由于在燃料和氧化电极201、202都处于氢气气氛中的情况下停止性能恢复操作，因此避免了可能影响随后的发电的劣化。
第五实施例
现在将参考图4示出的气体管道系统和图14示出的方法的示例性实施例来说明燃料电池系统的第五实施例。
图14示出的流程图包括操作步骤S51至S58。整体上，操作步骤S51至S55对应于图10示出的操作步骤S1至S5，因此将不再重复对它们的说明。再次如在第一实施例中一样，将空气引导到燃料电极201，并使燃料电极201保持在较高电位预定时间。
在步骤S56，在氧化电极202处于氢气气氛中的情况下，在燃料和氧化电极201、202之间施加外部电源，使得燃料电极201在预定时间内处于较高的电位水平。然后，在步骤S57，对该较高的电位水平是否已经维持了至少预定时间进行判断。如果是，则在步骤S58停止性能恢复操作。
与第二至第四实施例相比，第五实施例通过使用外部电源来使燃料电极201维持在较高的电位水平，以达到与燃料电极201处于空气气氛中时大体上相同的效果。在第五实施例中可以执行诸如针对第一至第四实施例所说明的方法的将空气引导到燃料电极201以及停止空气引导的方法中的任一种。
根据第五实施例，由于在氧化电极202处于氢气气氛中的同时，通过外部电源对燃料电极201的电位进行控制，所以可以使燃料电极201的电位水平精确地保持在期望值，从而提高燃料电池的性能恢复操作的精确性。另外，由于可以进行恢复操作，而与燃料电极201是处于氢气气氛中还是空气气氛中无关，因此可以简化性能恢复操作。
图3(B)示意性地示出图14示出的性能恢复操作处理200的过程中燃料电极201和氧化电极202二者的状态变化。图3(A)的前两幅图大体上与图2(A)相同，因此将不再重复对它们的说明。如图3(B)的第三幅图所示，在氧化电极202处于氢气气氛中的情况下，外部电源204使燃料电极201的电位在预定时间内维持在10至12伏。因此，可以将氧化电极202置于氢气气氛中，并且外部电源204可以精确地控制燃料电极201的电位水平。另外，可以进行性能恢复操作，而与燃料电极201是处于氢气气氛中还是空气气氛中无关，从而简化性能恢复操作。
根据本发明的实施例提供各种特性和优点。现在将对这样的特性和优点的例子进行说明。
当燃料电池开始或停止发电时，可以将燃料电极和氧化电极置于氢气气氛中，然后可以使燃料电极维持在较高的电位水平。因此，加速了被吸附物的氧化，从而可以有效地去除催化剂上的被吸附物。
当燃料电极和氧化电极都处于氢气气氛中时，可以供应氧化气体，以将燃料电极置于空气气氛中。因此，在燃料电极的催化层上生成水。水用于氧化催化剂上的被吸附物，可以通过氧化气体排出由此被氧化的被吸附物。另外，当氧化电极处于氢气气氛中时，可以避免氧化电极的催化层的劣化。因此，当燃料电池系统被包括在诸如机动车辆等的移动主体上时，可以根据简单的气体管道系统和方法来恢复已经劣化的燃料电池的性能。
当燃料电极维持在较高的电位水平，并处于高度加湿后的状态时，可以氧化并去除燃料电极的催化层上的被吸附物，从而恢复燃料电极。因此，通过使用低成本的操作，可以恢复已经劣化的燃料电池的性能。
当燃料电极和氧化电极都在氢气气氛中停止时，向燃料电极供应氧化气体，以与燃料电极处剩余的氢气反应，从而生成水，并将燃料电极置于空气气氛中。在这种情况下，可以切换燃料电池的燃料电极的状态和燃料电池的氧化电极的状态，以避免氧化电极的劣化。另外，被供应到燃料电极的氧化气体与剩余的氢气充分混合，从而生成水，以有效地去除催化剂上的被吸附物。
当在燃料电极处于空气气氛中并且氧化电极处于氢气气氛中的情况下停止燃料电池时，供应氢气，以将燃料电极置于氢气气氛中。因此，可以切换燃料和氧化电极的状态，可以避免燃料电池的劣化，并且可以有效地去除被吸附物。另外，通过在燃料和氧化电极都处于氢气气氛中的情况下停止性能恢复操作，可以避免当燃料电池重新启动时影响随后的发电的劣化。
当在燃料电极处于空气气氛中并且氧化电极处于氢气气氛中的情况下停止燃料电池时，向燃料电极供应氧化气体，并施加负载装置，使得氧化电极处剩余的氢气被消耗，并且将氧化电极置于空气气氛中。因此，可以切换燃料和氧化电极的状态，并且可以避免电池的劣化。另外，与氧化电极处的任何剩余氢气的反应在燃料电极的催化层上生成水，并且可以有效地去除被吸附物。另外，通过在燃料和氧化电极都处于空气气氛中的情况下停止性能恢复操作，可以避免由于燃料电池长时期保持在低功率水平或非运行状态而引起的劣化。
当在燃料电极处于空气气氛中并且氧化电极处于氢气气氛中的情况下停止燃料电池时，可以中断向燃料电极的空气供应，并且可以通过施加负载装置，来消耗燃料电极处剩余的任何氧气。因此，可以切换燃料和氧化电极的状态，并且可以避免电池的劣化。另外，可以使用在燃料电极的催化剂上生成的水来有效地去除被吸附物。另外，通过在燃料和氧化电极都处于氢气气氛中的情况下停止性能恢复操作，可以避免当燃料电池重新启动时影响随后的发电的劣化。
在氧化电极处于氢气气氛中的情况下，外部电源可以使燃料电极在预定时间内维持在1.0至1.2伏/电池。因此，可以将氧化电极置于氢气气氛中，并且可以利用外部电源来精确地控制燃料电极的电位。另外，在燃料电极处于氢气气氛中的情况下，氧化电极可以提供用于控制电位水平的基准。
性能恢复操作可以包括打开净化阀和运行燃料电极循环泵，以将氧化气体从氧化气体供应系统导入到燃料电极。因此，可以在燃料电极循环系统中有效混合氢气和氧气，并且可以在燃料电极的催化剂上有效生成水。另外，可以以与氧化气体供应系统相连接的方式来配置过滤器，该过滤器减少从外部导入的空气中的污染物。
性能恢复操作可以包括打开净化阀和运行燃料电极循环泵，以将氧化气体从氧化气体供应系统导入到燃料电极，并且有效生成水。另外，与从氧化气体供应系统导入相对比，可以从氧化气体排出系统直接导入外部空气，从而免除氧化电极周围的氧化气体旁通管道，并简化气体系统管道。
性能恢复操作可以包括打开第一和第二净化阀、打开循环阀以及运行燃料电极循环泵，以从氧化气体供应系统向燃料电极供应氧化气体。因此，燃料气体在燃料气体系统中的单向流动可以迅速将燃料电极置于空气气氛中。另外，这样的性能恢复操作可以包括上述氧化气体供应系统中的任一个。
性能恢复操作可以包括打开第一和第二净化阀以及运行燃料电极循环泵，以从氧化气体排出系统向燃料电极供应氧化气体。因此，可以迅速将燃料电极置于空气气氛中。另外，可以简化氧化气体系统的布置。
可以基于燃料电池以低负载连续运行的时间段来判断是否对燃料电池执行性能恢复操作。因此，可以避免不必要的性能恢复操作。
可以基于燃料电池以低负载运行的总累计时间来判断是否对燃料电池执行性能恢复操作。因此，可以避免不必要的性能恢复操作。
可以基于燃料电池的发电性能的劣化速率来判断是否对燃料电池执行性能恢复操作。因此，可以避免不必要的性能恢复操作。
可以基于燃料电极的外表面面积的估计值的减小速率来判断是否对燃料电池执行性能恢复操作。因此，可以避免不必要的性能恢复操作。
可以基于燃料电极的电位、催化层的含水量以及燃料电池的温度，来判断性能恢复操作过程中燃料电极维持在高电位的时间。因此，可以使燃料电极维持在较高电位的时间最小化，并且可以在燃料电极的最小劣化状态下，执行性能恢复操作。
性能恢复操作可以包括向燃料电极和/或氧化电极供应水或加湿后的气体，以增大燃料电池中的相对湿度，从而有效地恢复燃料电池的性能。
性能恢复操作可以包括例如通过降低各个燃料电池的温度，降低燃料电池堆的温度，以促进和提高增大燃料电池中的相对湿度，从而有效地恢复燃料电池的性能。
虽然已经参考某些优选实施例对本发明进行了说明，但是可以对所说明的实施例进行众多的修改、替换和改变，而不会偏离如在所附权利要求及其等同物中所定义的本发明的精神和范围。因此，本发明并不局限于所说明的实施例，而是具有由所附权利要求的语言所限定的全部范围。
本申请要求2006年2月3日所递交的日本申请2006-027155的优先权，在此通过引用包含其全部内容。

Claims (19)

1.一种燃料电池系统，包括用于发电的燃料电池(100)，所述燃料电池(100)包括分别位于电解质膜(112)的相对两侧的燃料电极和氧化电极(201、202)，所述燃料电池(100)响应于分别向所述燃料电极和所述氧化电极(201、202)供应燃料气体和氧化气体而发电，所述燃料电池系统的特征在于包括：
控制器，其在所述燃料电池(100)的启动或停止操作的过程中将所述燃料电极和所述氧化电极(201、202)置于第一氢气气氛中，然后将所述燃料电极(201)维持在较高的电位。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，当所述燃料电极和所述氧化电极(201、202)处于所述第一氢气气氛中时，所述控制器通过向所述燃料电极(201)供应所述氧化气体，来将所述燃料电极(201)置于第一空气气氛中。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制器在所述燃料电池(100)的停止操作的过程中将所述燃料电极(201)置于所述第一空气气氛中并将所述氧化电极(202)置于所述第一氢气气氛中，之后所述控制器通过供应氢气，将所述燃料电极(201)置于第二氢气气氛中。
4.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述控制器向所述燃料电极(201)供应所述氧化气体，以将所述燃料电极(201)置于第二空气气氛中的情况下，停止所述燃料电池(100)的运行，并且负载装置(203)消耗所述氧化电极(202)中剩余的氢，以将所述氧化电极(202)置于所述第二空气气氛中。
5.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述控制器停止向所述燃料电极(201)供应所述氧化气体，并将所述氧化电极(202)置于第二氢气气氛中的情况下，停止所述燃料电池(100)的运行，并且负载装置(203)消耗所述燃料电极(201)中剩余的氢，以将所述燃料电极(201)置于第二空气气氛中。
6.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
燃料电极循环系统(320)，其将先前从所述燃料电极(201)排出的所述燃料气体重新供应给所述燃料电极(201)；
燃料电极循环泵(301)，其在所述燃料电极循环系统(320)中循环所述燃料气体；
氧化供应系统(321)，其向所述燃料电极循环系统和所述氧化电极循环系统(320、321)二者供应所述氧化气体；以及
净化阀(302)，其阻止所述氧化气体从所述氧化气体供应系统(321)流向所述燃料电极循环系统(320)；
其中，所述控制器使所述燃料电极循环泵(301)运行，并打开所述净化阀(302)，以将所述氧化气体从所述氧化供应系统(321)供应到所述燃料电极(201)。
7.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
燃料电极循环系统(320)，其将先前从所述燃料电极(201)排出的所述燃料气体重新供应给所述燃料电极(201)；
燃料电极循环泵(301)，其在所述燃料电极循环系统(320)中循环所述燃料气体；
氧化气体排出系统(322)，其将所述氧化气体从所述氧化电极(202)排出到外部，并向所述燃料电极循环系统(321)供应来自外部的所述氧化气体；以及
净化阀(302)，其阻止所述氧化气体从所述氧化气体排出系统(322)流向所述燃料电极循环系统(320)；
其中，所述控制器使所述燃料电极循环泵(301)运行，并打开所述净化阀(302)，以将所述氧化气体从所述氧化气体排出系统(322)供应到所述燃料电极(201)。
8.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
燃料电极循环系统(323)，其将先前从所述燃料电极(201)排出的所述燃料气体重新供应给所述燃料电极(201)；
燃料电极循环泵(301)，其在所述燃料电极循环系统(323)中循环所述燃料气体；
氧化供应系统(321)，其向所述燃料电极循环系统和所述氧化电极循环系统二者(323、321)供应所述氧化气体；以及
第一净化阀(302)，其阻止所述氧化气体从所述氧化气体供应系统(321)流向所述燃料电极循环系统(323)；
第二净化阀(310)，其位于所述燃料电极循环系统(323)和外部之间；以及
循环系统阀(311)，其沿连接所述第一净化阀和所述第二净化阀(302、310)的管道设置；
其中，所述控制器使所述燃料电极循环泵(301)运行，打开所述第一净化阀和所述第二净化阀(302、310)，并关闭所述循环系统阀(311)，以将所述氧化气体从所述氧化供应系统(321)供应到所述燃料电极(201)。
9.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
燃料电极循环系统(323)，其将先前从所述燃料电极(201)排出的所述燃料气体重新供应给所述燃料电极(201)；
燃料电极循环泵(301)，其在所述燃料电极循环系统(323)中循环所述燃料气体；
氧化气体排出系统(322)，其将所述氧化气体从所述氧化电极(202)排出到外部，并向所述燃料电极循环系统(323)供应来自外部的所述氧化气体；以及
第一净化阀(302)，其阻止所述氧化气体从所述氧化气体排出系统(322)流向所述燃料电极循环系统(323)；
第二净化阀(310)，其位于所述燃料电极循环系统(323)和外部之间；以及
循环系统阀(311)，其沿连接所述第一净化阀和所述第二净化阀(302、310)的管道设置；
其中，所述控制器使所述燃料电极循环泵(301)运行，打开所述第一净化阀和所述第二净化阀(302、310)，并关闭所述循环系统阀(311)，以将所述氧化气体从所述氧化排出系统(322)供应到所述燃料电极(201)。
10.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，外部电源(204)电连接到所述燃料电极(201)，并且所述控制器电连接到所述外部电源(204)，以在预定时间内将所述燃料电极(201)的电位水平维持在不低于1.0伏/电池，使得所述氧化电极(202)保持处于所述第一氢气气氛中。
11.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制器增大所述燃料电极(201)的电位，并维持基于所述氧化电极(202)的电位、所述燃料电极(201)的催化层(104)的含水量和所述催化层(104)的温度的时间段。
12.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
计时器，其判断所述燃料电池(100)以低负载连续运行的时间段；
其中，响应于所述时间段超过预定时间，所述控制器开始性能恢复操作。
13.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
计时器，其累计所述燃料电池(100)以低负载运行的时间量；
其中，响应于所述时间量超过预定时间，所述控制器开始性能恢复操作。
14.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
检测所述燃料电池(100)的发电性能的装置；
其中，响应于所述装置检测到所述发电性能降低到低于预定水平，所述控制器开始性能恢复操作。
15.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
估计所述燃料电极(201)的催化层(104)的外表面面积的装置；
其中，响应于所述装置检测到所估计出的所述外表面面积降低到低于预定水平，所述控制器开始性能恢复操作。
16.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
加湿器(401、402)，其增大供应到所述燃料电极(201)的所述燃料气体的含水量；
其中，所述控制器使所述加湿器(401、402)运行，以增大所述燃料电极(201)中的含水量。
17.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
冷却装置(405、406、407)，其降低所述燃料电池(100)的温度；
其中，所述控制器使所述冷却装置(405、406、407)运行，以降低所述燃料电池(100)的温度。
18.根据权利要求1到17中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，响应于所述控制器的操作而生成水，并且所述水从所述燃料电极和所述氧化电极(201、202)至少之一的催化层(104、105)去除被吸附物。
19.根据权利要求18所述的燃料电池系统，其特征在于，所述水恢复所述催化层(104、105)，并且所述燃料电池(100)的发电性能被恢复。
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